純電動汽車再生制動控制策略研究

惠登峰（江蘇省鎮(zhèn)江市路橋工程總公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212017）

?

純電動汽車再生制動控制策略研究

惠登峰
（江蘇省鎮(zhèn)江市路橋工程總公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212017）

摘要：基于傳統(tǒng)再生制動控制策略和制動穩(wěn)定性，提出了一種適用于純電動汽車的再生制動復合控制策略。采用Matlab/simulink和Carsim 軟件在FTP75標準工況下進行聯(lián)合仿真，與傳統(tǒng)并聯(lián)再生制動控制策略的仿真結果進行分析比較。結果表明：所提出的再生制動復合控制策略在保證制動穩(wěn)定性的前提下，能回收更多能量，增加續(xù)駛里程，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)并聯(lián)再生制動控制策略。

關鍵詞：再生制動；聯(lián)合仿真；控制策略；純電動汽車

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.033

CLC NO.: U469.7Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-136-04

前言

傳統(tǒng)汽車所帶來的空氣污染日益加重和石油短缺問題，日益得到了人們的重視[1]。為解決節(jié)能和環(huán)保的問題，國家大力支持電動汽車的發(fā)展。電動汽車具有能量來源可持續(xù)、零排放、低噪音等優(yōu)勢，因而被認為是傳統(tǒng)車輛的理想替代品[2]。同時，電動汽車通過自身的驅動電機，可以方便地實現(xiàn)再生制動能量回收。

續(xù)航歷程短一直是制約電動汽車普及發(fā)展的關鍵因素。再生制動能量回收技術是提高電動車續(xù)航里程的有效手段[3]。再生制動能量回收就是在汽車制動時，通過將電動機作為發(fā)電機使用，把車輛動能轉化為電能儲存在動力電池、超級電容等儲能設備中，供驅動時使用，以達到延長電動汽車續(xù)駛里程的目的，同時還可起到減少制動器工作強度、延長機械制動系統(tǒng)壽命的作用。

因為具備上述優(yōu)點，再生制動能量回收技術已成為純電動汽車和燃料電池汽車等新能源汽車節(jié)能減排的主要技術之一。本文針對純電動汽車的制動系統(tǒng)進行分析，提出了適用于純電動汽車的復合再生制動能量回收策略，并對該策略進行了仿真分析。

1、汽車制動受力分析

把整車看作一個剛體，當汽車沿水平路面進行制動時，受力情況如圖1所示。在純電動汽車特點的基礎上，對整車模型提出如下假設和簡化[4]：

視整車為剛體，假設在絕對平坦的水平路面上行駛，忽略懸架系統(tǒng)、簧上質量與簧下質量間的相互影響。

（2）忽略輪轂電機在驅動和制動時可能產(chǎn)生的轉矩脈動所帶來的影響。

（3）忽略汽車行駛時的空氣阻力、輪胎滾動阻力以及車輪轉動慣量在制動時的影響。

（4）假設制動時車輪不會滑移。

圖1　整車制動受力模型

圖1中，L 為軸距，a為車輛質心至前軸中心線的距離，b為車輛質心至后軸中心線的距離，L=a+b。hg為車輛質心高度。FXb1、FXb2分別為前后車輪的總制動力，對于電動輪汽車有：

式中：FXbr1、FXbr2分別為前后軸的再生制動力；FXbrm1、FXbrm2分別為前后軸的機械制動力。

分別對前輪接地點、后輪接地點取力矩，得：

在任何附著系數(shù)φ的路面上，前、后車輪同時抱死的條件是：前、后軸制動力之和等于總附著力，并且前、后車輪制動力分別等于各自的附著力[4]，數(shù)學表達式如下：

聯(lián)立式（7）～（11）可得前、后車輪同時抱死時軸間制動力分配關系：

式（12）即為理想的前、后輪制動力分配曲線。

2、典型再生制動控制策略

純電動汽車制動控制的總體目標是：在保證整車制動性能的前提下，使能量回收到最大。具體到實際結構，就是必須考慮到駕駛員的制動需要、電動機所能提供的最大功率和能量儲存裝置的充電限制等因素，并結合控制的難易程度及成本，制定電動機進行再生制動的方法，同時控制策略應與ABS、ESP等系統(tǒng)相融合，不影響其性能[5]。

2.1最大回饋功率制動

最大回饋功率制動是以制動過程中盡可能多地回收能量為目的。通過對制動過程中電樞電流控制，使回收功率達到最大。最大回饋功率制動多用于電力機車，因為機車直接從電網(wǎng)取電，回饋電流的大小對電網(wǎng)的影響不大。此控制策略也可用于電動自行車和電動三輪車等功率較小的場合，因為這些電動機功率較小且電樞電阻較大，因而不會產(chǎn)生過大的電樞電流和充電電流，但有如下缺點：

（1）采用這種制動方式時，由于電樞電阻小，因而即使在電動機轉速很低時，也會產(chǎn)生過大的電樞電流和蓄電池充電電流。

（2）當純電動汽車采用最大回饋功率方式制動時，電動機轉速將按指數(shù)規(guī)律下降，這不符合駕駛員的操作特性。

所以，將最大回饋功率制動應用于電動車，必須處理好過大充電電流的安全問題，以及由此造成的對電源系統(tǒng)壽命的影響。

2.2最大回饋效率制動

最大回饋效率制動是以制動過程中回饋效率最大為目的，回饋的能量最多，制動距離最長，制動的過程中，車速按照拋物線規(guī)律下降。但是這種方式需要控制電樞電流，要實時檢測汽車的阻力，因而增加了控制的不確定性，實現(xiàn)起來的難度較大。

2.3恒定力矩制動

對永磁直流電機，恒定力矩制動等價于恒定電樞電流制動。此策略通過在不同踏板開度時對電樞電流進行控制，恒定力矩制動能夠實現(xiàn)制動力矩和踏板開度的同步增大，這與傳統(tǒng)汽車液壓制動系統(tǒng)不同踏板開度對應不同制動力矩相同，車速線性下降，也符合駕駛員的操作習慣，控制方便，所以此策略具有一定的優(yōu)越性[4]。

為了保證蓄電池的安全充電，對蓄電池的充電電流不能超過其最大充電電流，這就限制了所采用的恒定電樞電流的大小，而且在踏板開度一定的情況下，隨電機轉速的下降，雖然電樞電流保持恒定，但充電電流持續(xù)減小。因此，該策略不能有效地回收能量。

2.4恒定充電電流制動

為了避免過大的回饋電流對蓄電池造成傷害，文獻[6]提出了恒定電流制動方式，即以蓄電池充電電流為被控制對象，在車輛制動過程中，控制系統(tǒng)維持蓄電池充電電流不變，兼顧能量回收與系統(tǒng)保護，是一種更實用的控制策略。

但是由于隨著車速的降低，電樞電流持續(xù)上升，因而有可能超過電樞允許的最大電流，所以必須對充電電流的大小加以限制。當制動踏板開度與充電電流相對應時，在相同的踏板開度下，隨著車速的下降，汽車將獲得逐漸增加的制動力，這種現(xiàn)象不符合駕駛人的操作習慣。

3、再生制動復合控制策略

本文針對超級電容—蓄電池復合電源純電動汽車進行了研究。總體的控制思想是，在制動意圖的控制下，依據(jù)I曲線進行制動力分配，提高制動能量回收率的同時保證制動穩(wěn)定性，低制動強度采用電機制動，中強度制動協(xié)調再生制動與機械制動一同工作，高制動強度只有機械制動力工作。

基于復合電源系統(tǒng)純電動汽車儲能系統(tǒng)的特點，綜合典型再生制動控制策略，本文提出依據(jù)減速踏板位移行程，使用模糊控制識別駕駛員的制動意圖，對再生制動復合控制策略進行優(yōu)化。

制動踏板位移反映了駕駛員的制動意圖，使用Matlab提供的模糊工具箱設計制動意圖識別控制器，對模糊輸入?yún)?shù)進行歸一化處理，使輸入分量在[0，1]范圍變化，參數(shù)閾值和制動強度分配如表1所示，圖2為純電動汽車制動系統(tǒng)控制流程。

表1　制動強度分配表

圖2　純電動汽車制動系統(tǒng)控制流程

4、模型建立及仿真

4.1模型建立

本文采用Matlab/simulink和Carsim進行聯(lián)合仿真，在Carsim中建立整車模型，在simulink下搭建再生制動復合控制策略模型。模型中的電池、電機子模型采用查表的方式建立，相關性能數(shù)據(jù)由實驗獲得，該方法建立的模型使得仿真結果更接近于實際[7]。分別采用再生制動復合控制策略和傳統(tǒng)并行再生制動控制策略進行仿真。仿真工況采用FTP75標準工況，假定汽車初始狀態(tài)SOC=80％，終了狀態(tài)SOC=20％。其它各模型參數(shù)如表2所示。

表2　仿真參數(shù)

4.2仿真結果分析

按照前面制定的再生制動復合控制策略以及仿真模型，采用FTP75標準工況進行了A、B車型的仿真對比。仿真的結果分別如圖3、圖4所示。

圖3　FTP75工況下里程（純電動汽車模型A）

圖4　FTP75工況下里程（純電動汽車模型B）

表3　仿真結果比較

圖3是沒有使用再生制動復合控制策略模型的仿真結果，圖4是使用再生制動復合控制策略模型的仿真結果。可以明顯看出，加入復合再生制動控制策略后，純電動汽車運行過程中車速變化更加平穩(wěn)，整體穩(wěn)定性較好。

表3是A、B純電動汽車模型仿真結果對比。從表中可以看出，加制動能量回收之前，在FTP75工況下，A汽車模型的續(xù)駛里程為17.78 km。加再生制動能量回收復合控制策略的B純電動汽車模型，同樣的條件下續(xù)駛里程為30.27km，比A純電動汽車模型多行駛約60％里程。

5、結論

本文提出了適用于純電動汽車的再生制動復合控制策略，通過對純電動汽車模型進行仿真，驗證了其較使用傳統(tǒng)再生制動控制策略的純電動汽車在能量回收方面具有很大優(yōu)勢，能有效地增加續(xù)駛里程，在節(jié)能和行駛穩(wěn)定性方面優(yōu)勢明顯，是比較理想的純電動汽車再生制動控制策略。

參考文獻

[1]林程,王硯生,孟祥峰. 奧運純電動大客車技術與應用[M].北京:北京理工大學出版社,2001:2-3.

[2]陳清泉,詹宜巨. 21世紀的綠色交通工具—電動車[M].北京:清華大學出版社,2000:5-6.

[3]葉敏,郭金剛. 電動汽車再生制動及其控制技術[M].北京:人民交通出版社,2013:7-8.

[4]余志生. 汽車理論[M].第4版.北京:機械工業(yè)出版社,2006: 108-109.

[5]Jingang Guo,Xiaoping Jian,Guangyu Lin.Performance Evaluation of an Anti-Lock Braking System for Electric Vehicles with a Fuzzy Sliding Mode Controller[J]. Energies 2014, 7:6459-6476.

[6]Ye M, Bai Z, Cao B. Robust sliding model control for regenerative braking of Electric Vehicle[C]. Proceedings of 2006 International Power Electronics and Motion Control Conference. Shanghai, China, 2006:1586-1589.

[7]孫旭.輪轂電機驅動汽車復合制動動力學分析及控制[D].長春:吉林大學,2014.

Multiplex Control Strategy for Regenerative Braking System of Pure Electric Vehicle

Hui Dengfeng
（Zhenjiang of Jiangsu provinceRoad &bridge engineering corporation, Jiangsu Zhenjiang 212017 )

Abstract:Based on conventional control Strategy for regenerative braking system and the braking stability of the automotive, a new multiplex control strategy of regenerative braking system for pure electric vehicle is proposed. Using proposed strategy, simulations of pure electric vehicle by Matlab/simulink and Carsim under FTP75 standard working condition were done, and comparison with traditional parallel regenerative braking control strategy was carried out. The results showed that the proposed strategy not only ensures the braking stability, but also recycles more braking energy and extends the mileage.

Keywords:regenerative braking; simulation; control strategy; pure electric vehicles

中圖分類號：U469.7

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988（2016）05-136-04

作者簡介：惠登峰，工程師，就職于江蘇省鎮(zhèn)江市路橋工程總公司。